JP2010047795A - 転炉出湯孔スリーブおよび溶湯の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特開平１１−２９３３２３号公報により開示された全長テーパスリーブよりも、寿命を延長しながら出湯速度を高めることができる転炉出湯孔スリーブを提供する。
【解決手段】筒状体３により構成される転炉出湯孔スリーブ１である。筒状体３は、円筒であって第１の開口４ａを含む第１の部分４と、溶湯流出方向へ向けて先細りであって第２の開口５ａを含む第２の部分５とからなる。第１の開口４ａの直径Ｒ_１は１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、第２の開口５ａの直径Ｒ_２に対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｒ_２）は１．１０以上１．５０以下であり、筒状体３の長さＬに対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｌ）は０．１２以上０．１７以下であり、さらに、筒状体３の長さＬに対する第２の部分５の長さＹの比（Ｙ／Ｌ）は０．１０以上０．９０以下である。
【選択図】図１

Description

本発明は、転炉出湯孔スリーブと、この転炉出湯孔スリーブを装着された転炉を用いる溶湯の製造方法とに関する。

転炉には溶銑や溶鋼などの溶湯を円滑に流出するために、転炉出湯孔スリーブが設けられている。この転炉出湯孔スリーブには、生産性を高めるために、転炉から溶湯を円滑かつ迅速に流出させて出湯時間を短縮することが求められている一方で、精錬後のスラグが溶湯と混じって排出されることを抑制するために、溶湯の流出速度を所定の範囲内に収めることも求められている。また、転炉からの出鋼中には合金鉄を添加して成分調整を行うため、そのために最低限必要となる出鋼時間がある。

しかし、この転炉出湯孔スリーブの内径は、使用に伴う摩耗や溶損により次第に拡大するため、これに伴って出鋼時間が短くなる。また、スリーブの形状が不適切になると出湯流が乱れてスリーブの損耗を助長するほか、転炉からの出湯作業に支障を生ずるようにもなる。

このため、使用に伴う摩耗や溶損によってこの出湯作業に適切でなくなった転炉出湯孔スリーブは、寿命に達したものとして、新たなものに交換される。もちろん、それ以前に入口の開口部付近の溶損が激しくなって入口の開口の内径がその外径（通常３１０ｍｍ程度）に達した場合にも、寿命に達したものとして新たなものに交換される。

このように、転炉出湯孔スリーブには、転炉から溶湯を円滑かつ迅速に流出させて出湯時間を短縮できることと、使用に伴う摩耗や溶損に起因する交換作業を減少させるために長寿命であることとが、ともに求められる。

例えば特許文献１には、出湯孔の内径を、入口の開口から出口の開口にかけてその全長にわたりテーパ状に次第に減少させた転炉出湯孔スリーブ（本明細書ではこのような形状のスリーブを「全長テーパスリーブ」ともいう）が開示されている。この転炉出湯孔スリーブは、出湯孔の内径が一定であるストレート型の転炉出湯孔スリーブ（本明細書ではこのような形状のスリーブを「全長ストレートスリーブ」ともいう）と比較すると、溶湯が出湯口の内壁面に沿って流れ易くなるので溶湯の乱流の発生が抑制され、これにより、出湯速度の向上のみならず、乱流の発生に起因する内壁面の損傷の抑制、すなわち寿命の延長を図ることができるとされている。
特開平１１−２９３３２３号公報

しかし、本発明者の検討結果によれば、特許文献１により開示された全長テーパスリーブによる、出湯速度の向上や寿命の延長の程度は十分に満足できるものではなく、よりいっそうの改善が求められる。

転炉出湯孔スリーブから溶湯を排出する速度を高めるには、一般的に、転炉出湯孔スリーブの内径を大きく設定することが有効である。ところが、転炉の出湯孔の大きさは転炉鉄皮の形状によって制約されていて、その鉄皮の改造には多大な費用を必要とする。このような制約の中で、特許文献１により開示された全長テーパスリーブの平均内径（全長テーパスリーブの場合には、その溶湯通過部分の容積及び全長が同じである全長ストレートスリーブの内径を意味する）を大きく設定しようとすると、テーパの影響で必然的に転炉出湯孔スリーブの入口の開口付近の肉厚が薄くなってしまい、これにより、転炉出湯孔スリーブの寿命が低下する。

本発明の目的は、全長テーパスリーブよりも、寿命を延長しながら出湯速度を高めることができる転炉出湯孔スリーブを提供し、かつ、この転炉出湯孔スリーブを装着された転炉を用いて生産性を高めながら溶湯を製造する方法を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、
（ｉ）特許文献１により開示された転炉出湯孔スリーブのように軸方向の全域で内壁面をテーパ状に形成するのではなく、溶湯が流入する入口側の内壁面がテーパ状に形成されずに通常のストレート状に形成されるとともに、入口から出口への途中から出口へ向けての内壁面がテーパ状に形成されるスリーブ（本明細書ではこのような形状のスリーブを「ストレート及びテーパスリーブ」ともいう）を用いることによって、全長テーパスリーブよりも、寿命を延長しながら出湯速度を高めることができること、及び
（ｉｉ）ストレート及びテーパスリーブの出湯速度の向上には、その軸方向について内壁面をテーパ状に形成する範囲に、好適な範囲があること
を知見し、さらに検討を重ねて本発明を完成した。

本発明は、図１に例示されるように、溶湯流出方向へ向けて内壁２の内径が一定乃至先細りの形状を有する筒状体３により構成される転炉出湯孔スリーブ１であって、この筒状体３が、円筒であってその軸方向の一方の端部に形成されて転炉内の溶湯が流入する第１の開口４ａを含む第１の部分４と、溶湯流出方向へ向けて先細りであって第１の部分４に連続するとともに軸方向の他方の端部に形成されて溶湯が流出する第２の開口５ａを含む第２の部分５とからなり、
（ａ）第１の開口４ａの直径Ｒ_１が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、
（ｂ）第２の開口５ａの直径Ｒ_２に対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｒ_２）が１．１０以上１．５０以下であり、かつ、
（ｃ）筒状体３の軸方向への長さＬに対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｌ）が０．１２以上０．１７以下であること
を特徴とする転炉出湯孔スリーブ１である。

この本発明に係る転炉出湯孔スリーブ１では、筒状体３の軸方向への長さＬに対する第２の部分５の軸方向への長さ（Ｙ）の比（Ｙ／Ｌ）が０．１０以上０．９０以下であることが望ましく、０．１５以上０．８８以下であることがより望ましく、０．２５以上０．８２以下であることが特に望ましい。

別の観点からは、本発明は、これらの本発明に係る転炉出湯孔用スリーブを装着された転炉から、この転炉出湯孔スリーブを介して溶湯を排出する工程を含むことを特徴とする溶湯の製造方法である。

本発明によれば、全長テーパスリーブよりも、脱りん溶銑や溶鋼といった転炉内の溶湯の出湯速度を高めることができる。また、本発明によれば、全長テーパスリーブよりも寿命を延長することができるので、その交換頻度を低減して生産性を高めることができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施の形態の転炉出湯孔スリーブ１を示す断面図である。

同図に示すように、この転炉出湯孔スリーブ１は、耐火レンガ製の筒状体３により構成される。
この筒状体３は、その軸方向（図１における上下方向）について第１の部分４と第２の部分５とからなる。第１の部分４は、円筒であって筒状体３の軸方向の一方の端部に形成されて転炉内の溶湯が流入する第１の開口４ａを含んで構成される。また、第２の部分５は、溶湯流出方向へ向けて先細りであって第１の部分４に連続するとともに筒状体３の軸方向の他方の端部に形成されて溶湯が流出する第２の開口５ａを含んで構成される。

転炉出湯孔スリーブ１では、第１の開口４ａの直径Ｒ_１が１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下である。一般的な転炉サイズである１６０〜３８０（トン／チャージ）クラスの転炉においては、直径Ｒ_１が１５０ｍｍ未満であると出湯時間が長くなり所望の生産性を維持できなくなり、一方、直径Ｒ_１が３００ｍｍを超えると、転炉鉄皮を改造しない場合には第１の開口４ａ付近の筒状体耐火物の肉厚を薄くせざるを得ず、スリーブの寿命が低下するからである。

また、第２の開口５ａの直径Ｒ_２に対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｒ_２）が１．１０以上１．５０以下である。
このように、転炉出湯孔スリーブ１は、円筒に溶湯流出方向へ向けて先細りの筒状体を継ぎ足した形状を有するストレート及びテーパスリーブである。ここで、第１の部分４は直円筒を基本とするが、それが溶湯流出方向へ向けて内壁２のテーパが１°など多少先細りであっても、実質的に本発明と同一の目的を達成することができ、かつ同一の効果を奏することができる。

これにより、第１の開口４ａにおける直径Ｒ_１が同一であっても、平均内径（この転炉出湯孔スリーブ１と溶湯通過部分の容積及び全長が同じである全長ストレートスリーブの内径を意味する）を、全長テーパスリーブの平均内径よりも、大きくすることができる。

また、スリーブ１の内壁２を全体として先細りにすることにより、溶湯がスリーブ１の内壁２の表面に沿って流れ易くなるので、第２の部分５のみならず第１の部分４においても溶湯の乱流の発生を抑制でき、これによりスリーブ１全体の損傷を抑制して寿命を延長することができる。

さらに、筒状体３の軸方向への長さＬに対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｌ）が０．１２以上０．１７以下である。比（Ｒ_１／Ｌ）が０．１２未満である場合には出湯抵抗が基本的に大き過ぎるために出湯に時間を要しているのであるから、本発明を適用する効果は小さい。一方、比（Ｒ_１／Ｌ）が０．１７超である場合には出湯速度に対してスリーブ全長が短か過ぎるために、やはり本発明を適用する効果は小さくなるからである。

図２は、図１に示す転炉出湯孔スリーブ１の第１の開口４ａの内壁２の縁に面取り部６を形成した場合を示す説明図である。
第１の開口４ａの内壁２の縁に面取り部６を形成することにより、転炉内の溶湯が転炉出湯孔スリーブ１に流入する際に第１の開口４ａの内壁２の縁に衝突して転炉出湯孔スリーブ１の内部に円滑に流入しなくなることに起因して出湯速度が低下することを、防ぐことができる。

このような効果を得るためには、図２に示す断面において、面取り部６の表面と、スリーブ１全体の軸方向とがなす角度θ_Ｂが、３０度以上６０度以下であることが望ましい。
次に、本発明者が行った水モデル試験について説明する。

本発明者は、内径が５００ｍｍの円筒状のアクリル製容器の底部に穿設した排水口に、（１）軸方向の全長について内径が一定であるアクリル製の全長ストレートスリーブ、（２）図１に示す断面形状を有するアクリル製のストレート及びテーパスリーブ、（３）内径が、入口から出口にかけてその全長にわたりテーパ状に次第に減少するアクリル製の全長テーパスリーブを装着し、このアクリル製容器に収容される水がこれらのスリーブから排水される際の排水速度を比較する水モデル試験を行った。

この水モデル試験は、転炉出湯孔スリーブからの溶鋼の排出挙動を、スリーブの大きさを実物の１／１６〜１／１５倍に小型化したモデルを用いてシミュレーションするものである。水と溶鋼とは、それぞれの動粘度（＝粘度／密度）の値が近く、比較的近い流動状態を示すとともに流動性が高いことから、実物の１／１６〜１／１５倍程度の大きさのモデルであれば、ほぼ幾何学的に相似な流動挙動を示すことが知られている。この水モデル試験では、図１における第１の開口４ａの直径Ｒ_１と、第２の開口５ａの直径Ｒ_２との比（Ｒ_１／Ｒ_２）を１．００以上１．６０以下とするとともに、第１の開口４ａの直径Ｒ_１と筒状体３の長さＬとの比（Ｒ_１／Ｌ）を０．１１以上０．１８以下とし、さらに、第１の開口４ａの直径Ｒ_１を１４ｍｍ以上１６ｍｍ以下とするとともに筒体３の全長Ｌを８９〜１４５ｍｍとした。

そして、上記（１）〜（３）の３種のスリーブの先端にシリコンゴム製の栓を装着しておき、アクリル製容器に上方から水を入れて浴深を５０ｍｍとし、その後に直ちに栓を抜いて排水し、浴深が４０ｍｍから２０ｍｍになるまでの水浴面の低下速度を、浴面の上方に配置した超音波距離計によって測定した。

表１には、この水モデル試験で用いる３種のスリーブの各部寸法（Ｒ_１、Ｒ_２、θ_１、θ_２、Ｌ、Ｙ、平均内径）と、測定した水浴面の低下速度Ｖとをまとめて示す。なお、表１における水浴面の低下速度Ｖは、内径が１６ｍｍの全長ストレートスリーブを用いた場合の低下速度により除した値により示す。

ここでθ_１とθ_２はそれぞれ第１の部分４、第２の部分５に関し、筒状体３の内壁２の表面とこの筒状体３の半径方向とがその筒状体３の軸方向を含む断面においてなす角度である。

また、図３は、図１に示す転炉出湯孔スリーブ１において第１の開口４ａの直径Ｒ_１＝１６．０ｍｍ、かつ第２の開口５ａの直径Ｒ_２＝１２．９ｍｍの場合における、第２の部分５の長さＹと浴面の低下速度との関係を示すグラフである。このグラフでは、●印は図１に示す本発明例のストレート及びテーパスリーブを示し、◇印は全長ストレートスリーブを示し、さらに、△印は特許文献１により開示された全長テーパスリーブを示す。

表１におけるスリーブＮｏ．１〜５の全長ストレートスリーブでは、内径Ｒ_１（＝Ｒ_２）の減少、すなわち平均内径の減少に伴って浴面の低下速度Ｖも低下する。

また、入口の開口部４ａの内径Ｒ_１を１６ｍｍで一定とするとともに出口の開口部５ａの内径Ｒ_２を小さくしたスリーブＮｏ．１１〜１５の全長テーパスリーブでは、内径Ｒ_２が１２．９ｍｍすなわち平均内径が１４．５ｍｍとなるまでは、平均内径が減少しても浴面の低下速度が増加する。

さらに、図３のグラフにも示すように、△印により示す全長テーパスリーブは、◇印により示す全長ストレートスリーブよりも、浴面の低下速度が４％程度高いことがわかる。
詳細な機構は現段階では不明であるが、出口の開口部５ａから吐出する水流を観察すると、全長ストレートスリーブでは水流の状態（水流表層部の乱れ、等）がある頻度で変化していた。この水流の乱れが抵抗となり、浴面の低下速度が小さいものと推定される。

一方、全長テーパスリーブでは、水流の状態が比較的安定し、全長ストレートスリーブほどの水流の乱れは観察されなかった。すなわち、スリーブの内壁面をテーパ状に形成することによって水流の乱れが抑制され、これにより、浴面の低下速度が増加したものと推定される。

これに対し、図３のグラフにおいて●印により示すストレート及びテーパスリーブは、全長テーパスリーブを比べると、入口開口部から途中までストレート形状にすることにより平均内径を大きくすることができ、平均内径が大きいほど排水速度、すなわち浴面の低下速度が増加すると考えられる。

そして、途中から出口の開口部５ａまでテーパを付与することにより、上述したように全長ストレートスリーブで発生した水流の乱れを抑制できることも排水速度（浴面の低下速度）が増加した一因と考えられる。

ストレート及びテーパスリーブは、特に、内壁面２ａがテーパ状に形成される第２の部分５の長さＹを、全長Ｌの１０％以上とすると、浴面の低下速度は、△印により示す全長テーパスリーブの浴面の低下速度の最大値より大きくなり、さらに、全長Ｌの７５％とすると浴面の低下速度は最大となり、浴面の低下速度が、◇印により示す全長ストレートスリーブよりも約１０％増加する。

しかし、このストレート及びテーパスリーブでは、筒状体３の軸方向への長さＬに対する第２の部分５の長さＹの比（Ｙ／Ｌ）が０．７５を超えると浴面の低下速度が急激に低下し始め、０．９０になると、全長テーパスリーブの浴面低下速度と同程度になった。比（Ｙ／Ｌ）が０．７５を超えると浴面の低下速度が急激に低下する原因は、ストレート部が長すぎることにより水流の乱れを生じてしまうことと、出口の開口部の近傍で急激にスリーブ内径が小さくなることにより水流が乱れたことであると考えられる。

また、筒状体３の軸方向への長さＬに対する第２の部分５の長さＹの比（Ｙ／Ｌ）が小さ過ぎると、第２の開口５ａ付近において溶湯が内壁面２ａから剥離して乱流状態となり、それが抵抗になって出湯速度が低下する。

さらに、この水モデル実験では、全長ストレートスリーブであるスリーブＮｏ．５と、ストレート及びテーパスリーブであるスリーブＮｏ．６〜１０と、全長テーパスリーブであるスリーブＮｏ．１１とについて、図２に示す角度θＢ＝４５°として第１の開口４ａの内壁２の縁に面取り部６を形成して第１の開口４ａの内径を５ｍｍ増加し、上述した手順により水浴面の低下速度を測定した。

水浴面の低下速度の測定結果を、図４にグラフで示す。なお、図４のグラフにおける●印は面取り部６を形成しないものを示し、○印は面取り部６を形成したものを示す。
図４のグラフに示すように、面取り部６を形成することにより、水流が入側開口部の内壁２の縁に衝突せずにスリーブ内へスムーズに流入できるようになったため、水浴面の低下速度が約１０％程度向上することがわかる。

図３、４のグラフに示すように、浴面の低下速度、すなわち出湯速度を高めるためには、比（Ｙ／Ｌ）は０．１０以上０．９０以下であることが望ましく、０．１５以上０．８８以下であることがより望ましく、０．２５以上０．８２以下であることが特に望ましい。

以上の結果から、図１に示す断面形状を有するストレート及びテーパスリーブの浴面の低下速度を、全長テーパスリーブの浴面の低下速度よりも高めるためには、
（ａ）第１の開口４ａの直径Ｒ_１を１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下とすること、
（ｂ）第２の開口５ａの直径Ｒ_２に対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｒ_２）を１．１０以上１．５０以下とすること、
（ｃ）内壁面２ａと、筒状体３の半径方向に平行な方向とがなす角度を、第１の部分４ではθ_１＝９０°とするとともに第２の部分５ではθ_２を９０°よりも小さい角度のテーパ管とすること、及び
（ｄ）筒状体３の軸方向への長さＬに対する第１の開口４ａの直径Ｒ_１の比（Ｒ_１／Ｌ）を０．１２以上０．１７以下とすること
が有効であり、さらに
（ｅ）筒状体３の軸方向への長さＬに対する第２の部分５の軸方向への長さＹの比（Ｙ／Ｌ）を０．１０以上０．９０以下とすること
が望ましいことがわかる。

この場合に、図３に示すグラフから、比（Ｙ／Ｌ）を、０．１５以上０．８８以下であることがより望ましく、０．２５以上０．８２以下であることが特に望ましいことがわかる。

このようにして、本実施の形態の転炉出湯孔スリーブ１によれば、例えば特許文献１により開示された全長テーパスリーブよりも、脱りん溶銑や溶鋼といった転炉内の溶湯の出湯速度を高めることができるとともに、全長テーパスリーブよりも寿命を延長することができるのでその交換頻度を低減して生産性を高めることができる。

本発明を、実施例を参照しながら、より具体的に説明する。
転炉で溶鋼２８０トンを溶製した後、以下に示す形状を有する２種の転炉出湯孔スリーブを用いて、溶鋼の排出時間を比較した。

（１）全長テーパスリーブ（入口の開口の内径：２２５ｍｍ、出口の開口の内径：１７７ｍｍ、全長：１６００ｍｍ）
（２）図１に示す断面形状のストレート及びテーパスリーブ（第１の開口４ａの内径Ｒ_１：２２５ｍｍ、第２の開口５ａの内径Ｒ_２：１７７ｍｍ、全長Ｌ：１６００ｍｍ、距離Ｙ：８００ｍｍ）
なお、両スリーブともに、入口の開口の内壁縁にＲ３０（ｍｍ）で面取り部６を形成してあるとともに、外径は３１０ｍｍで一定である。

溶鋼の排出時間の測定結果を図５にグラフにまとめて示す。なお、図５における○印は全長テーパノズルを示し、●印はストレート及びテーパノズルを示す。
図５にグラフで示すように、全長テーパスリーブでは、孔回数（スリーブ使用回数）が少ない時期の出鋼時間が、本発明に係るストレート及びテーパスリーブを用いた場合よりも長いこと、すなわち溶鋼の排出速度が遅いことがわかる。すなわち、本発明に係るストレート及びテーパスリーブは、全長テーパスリーブよりも、転炉内の溶湯の出湯速度を高められることがわかる。

また、図５のグラフに示すように、全長テーパスリーブでは、孔回数が増加すると、出鋼時間が急激に短くなるが、本発明に係るストレート及びテーパスリーブでは、出鋼時間は僅かしか短くならないことがわかる。これは、全長テーパスリーブのほうが本発明に係るストレート及びテーパスリーブよりも、内壁面の溶損量が大きいためにスリーブの平均内径増加速度が大きいためである。すなわち、（ストレート＋テーパ）スリーブのほうが全長テーパスリーブよりもリーブの内壁２の溶損量が少なく、寿命が長いことがわかる。

例えば、最低限必要となる出鋼時間が４．５分とすると、図５に示すグラフから、全長テーパスリーブの寿命は孔回数で約１５０回となるが、本発明に係るストレート及びテーパスリーブでは、孔回数１５０回では入り口の開口の内径は３１０ｍｍには達しておらず、寿命に達していない。すなわち、本発明に係るストレート及びテーパスリーブは、全長テーパスリーブよりも、寿命を延長することができるので、その交換頻度を低減して生産性を高めることができる。

図１は、実施の形態の転炉出湯孔スリーブを示す断面図である。 図２は、図１に示す転炉出湯孔スリーブの第１の開口の内壁縁に面取り部を形成した場合を示す説明図である。 図３は、図１に示す転炉出湯孔スリーブにおいて第１の開口の直径Ｒ_１＝１６．０ｍｍ、かつ第２の開口の直径Ｒ_２＝１２．９ｍｍの場合における、第２の部分の長さＹと浴面の低下速度との関係を示すグラフである。 図４は、水浴面の低下速度の測定結果を示すグラフである。 図５は、実施例の結果を示すグラフである。

符号の説明

１ 転炉出湯孔スリーブ
２ 内壁
２ａ 内壁面
３ 筒状体
４ 第１の部分
５ 第２の部分
６ 面取り部

Claims (3)

1. 筒状体により構成される転炉出湯孔スリーブであって、
   該筒状体は、その軸方向の一方の端部に形成されて転炉内の溶湯が流入する第１の開口を含む第１の部分と、該第１の部分に連続するとともに前記軸方向の他方の端部に形成されて溶湯が流出する第２の開口を含む第２の部分とからなり、
   前記第１の部分は円筒であってその第１の開口の直径（Ｒ_１）は１５０ｍｍ以上３００ｍｍ以下であり、
   前記第２の部分は溶湯流出方向へ向けて先細りであってその第２の開口の直径（Ｒ_２）に対する前記第１の開口の直径（Ｒ_１）の比（Ｒ_１／Ｒ_２）は１．１０以上１．５０以下であり、かつ、
   前記筒状体の前記軸方向への長さ（Ｌ）に対する前記第１の開口の直径（Ｒ_１）の比（Ｒ_１／Ｌ）は０．１２以上０．１７以下であること
   を特徴とする転炉出湯孔スリーブ。
2. 前記筒状体の前記軸方向への長さ（Ｌ）に対する前記第２の部分の前記軸方向への長さ（Ｙ）の比（Ｙ／Ｌ）は０．１０以上０．９０以下である請求項１に記載された転炉出湯孔スリーブ。
3. 請求項１または請求項２に記載された転炉出湯孔用スリーブを装着された転炉から、該転炉出湯孔スリーブを介して溶湯を排出する工程を含むことを特徴とする溶湯の製造方法。

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